Kecepatan Cahaya di Udara Laporan Praktikum
ditujukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Eksperimen Fisika 1 yang diampu oleh Dr. Parlindungan Sinaga, M.Si
Disusun oleh:
Dhea Intan Patya (1301982) Teman sekelompok:
Elza Anisa Suwandi (1305749) Indah Wulandari (1301019)
DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
A. Tujuan
Menetukan kecepatan cahaya di udara B. Dasar Teori
Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian
dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.
Pada tahun 1638, Galileo Galilei berusaha untuk mengukur laju cahaya dari waktu tunda antara sebuah cahaya lentera dengan persepsi dari jarak cukup jauh. Pada tahun 1676, sebuah percobaan awal untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Ole Christensen Rømer, seorang ahli fisika Denmark dan anggota grup astronomi dari
French Royal Academy of Sciences. Dengan menggunakan teleskop, Ole Christensen
Rømer mengamati gerakan planet Jupiter dan salah satu bulan satelitnya, bernama Io.[6] [7] Dengan menghitung pergeseran periode orbit Io, Rømer memperkirakan jarak tempuh cahaya pada diameter orbit bumi sekitar 22 menit.[8] Jika pada saat itu Rømer mengetahui angka diameter orbit bumi, perhitungan laju cahaya yang dibuatnya akan mendapatkan angka 227×106 meter/detik. Dengan data Rømer ini, Christiaan Huygens mendapatkan estimasi kecepatan cahaya pada sekitar 220×106 meter/detik.
Penemuan awal penemuan grup ini diumumkan oleh Giovanni Domenico Cassini pada tahun 1675, periode Io, bulan satelit planet Jupiter dengan orbit terpendek,
nampak lebih pendek pada saat Bumi bergerak mendekati Jupiter daripada pada saat menjauhinya. Rømer mengatakan hal ini terjadi karena cahaya bergerak pada kecepatan yang konstan.
Pada tahun 1849, pengukuran laju cahaya, yang lebih akurat, dilakukan di Eropa oleh Hippolyte Fizeau. Fizeau menggunakan roda sprocket yang berputar untuk
Albert Abraham Michelson melakukan percobaan-percobaan dari tahun 1877 hingga tahun 1926 untuk menyempurnakan metode yang digunakan Foucault dengan penggunaan cermin rotasi untuk mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya pada 2 x jarak tempuh antara Gunung Wilson dan Gunung San Antonio, di California. Hasil pengukuran menunjukkan 299.796.000 meter/detik. Pengukuran laju cahaya secara tidak langsung, yang dilakukan pada tahun itu prinsipnya mengikuti persamaan:
c= jarak tempuh
waktu tempuh
Cepat rambat cahaya di ruang hampa ialah sekitar 3×108m
s , bila berkas
cahaya itu masuk ke dalam medium lain, maka cepat rambatnya bergantung pada indeks bias mediumnya. Pada percobaan pengukuran kecepatan cahaya menggunakan sinar laser, berkas sinar laser yang berasal dari emitter diarahkan ke cermin pemantul dengan panjang lintasan L1 , kemudian oleh cermin sinar tersebut dipantulkan ke
receiver dengan panjang lintasan L2 . Skema gambar percobaannya seperti terlihat pada gambar di bawah :
Gambar 1. Skema Percobaan Pengukuran Kecepatan Cahaya
Sinyal ketika berkas laser dipancarkan akan dideteksi oleh osiloskop melalui input 1 dan sinyal yang ditangkap oleh detector (receiver) akan dideteksi oleh osiloskop melalui input 2. Gambar yang akan ditampilkan osiloskop akan seperti berikut:
Gambar 2. Tampilan Gelombang dari Emitter dan Receiver Pada Osiloskop
L2 RECEIVER
OSILOSKOP
Osiloskop dapat menentukkan perbedaan waktu antara kedua sinyal input
tersebut. Beda fase yang dirumuskan sebagai =
t2 T2−
t1
T1 , karena pada praktikum
ini menggunakan laser dan salah satu sifat laser adalah monokromatis maka laser yang keluar dari emitter dan laser yang diterima oleh receiver itu sama dalam arti memiliki panjang gelombang yang sama sehingga periodanya pun sama juga (T2 = T1
= T) sebab v = akan salah pengertiannya sebab pada percobaan ini beda fasenya itu memiliki satuan yaitu dalam nanosekon.
Dengan mengetahui jarak lintasan sinar laser dan waktu tempuhnya maka akan dapat ditentukan kecepatan sinar laser tersebut.
Laju cahaya di dalam medium seperti misalnya kaca, air atau udara ditentukan oleh indeks bias n, yang didefinisikan sebagai permbandingan laju cahaya dalam ruang hampa c terhadap laju tersebut dalam mendium v:
n=c
v
C. Alat dan Bahan N
o
Alat dan Bahan Jumlah
1. Transmiter 1
2. Receiver 1
3. Oscilloscop dual trace 1
4. Power Supply 1
5. Penggaris 1
6. Cermin Pemantul 1
7. Kabel Konektor 2
D. Prosedur Percobaan
3. Menghubungkan ground pada emiter dan receiver menggunakan lead wire.
4. Menghubungkan Channel 1 osiloskop pada terminal keluaran emitter dengan menggunakan kabel koaksial.
5. Menghubungkan Channel 2 osiloskop pada terminal keluaran receiver dengan menggunakan kabel koaksial.
6. Menyalakan emitter dan receiver, menunggu 10-30 menit agar frekuansi modulasinya tetap.
7. Mengatur fokus laser sehingga membentuk lingkaran dengan diameter 3 mm pada
receiver.
8. Mengatur cermin pemantul agar sinar yang berasal dari emitter tepat berada pada pusat cermin pemantul.
9. Mengatur posisi vertikal pada osiloskop sehinga Channel 1 dan Channel 2 berada pada sumbu horizontal yang sama.
10. Mengukur beda fase antar Channel 1 dan Channel 2. 11. Mengulangi langkah (7) sebanyak 10 kali.
12. Mencatat data yang diperoleh pada tabel.
13. Merapikan alat dan bahan yang telah digunakan. E. Data Praktikum
No L1 (mm) L2 (mm) ∆ t (ns)
1. 698 804 4,8
2. 781 874 5,2
3. 782 890 5,4
4. 791 890 5,6
5. 803 901 5,8
6. 813 909 6,0
7. 822 917 6,0
OSILOSKOP
RECEIVER
8. 872 936 6,2
9. 909 978 6,4
10. 954 1011 6.6
F. Pengolahan Data
No. L1 (m) L2 (m) L1 + L2 (m) Δt (ns) Δt (s)
1. 0.698 0.804 1.502 4.8 4.8E-09
2. 0.781 0.874 1.655 5.2 5.2E-09
3. 0.782 0.89 1.672 5.4 5.4E-09
4. 0.791 0.89 1.681 5.6 5.6E-09
5. 0.803 0.901 1.704 5.8 5.8E-09
6. 0.813 0.909 1.722 6 6E-09
7. 0.822 0.917 1.739 6 6E-09
8. 0.872 0.936 1.808 6.2 6.2E-09
9. 0.909 0.978 1.887 6.4 6.4E-09
10. 0.954 1.011 1.965 6.6 6.6E-09
Pengolahan Data menggunakan Metode Statistik
Untuk menghitung besarnya nilai kecepatan cahaya, data yang diperoleh
dimasukkan ke dalam rumus t
l l v 1 2
, sehingga diperoleh :
No. L1 + L2 (m) Δt x 10-9 (s) v (x 108 m/s) v v 108m/s v v 1016m/s 2
1 1.502 4.8 3.129166667 0.133362 0.017785
2 1.655 5.2 3.182692308 1.062383 1.128658
3 1.672 5.4 3.096296296 1.033544 1.068214
4 1.681 5.6 3.001785714 1.001997 1.003997
5 1.704 5.8 2.937931034 0.980682 0.961737
6 1.722 6 2.87 0.958006 0.917776
7 1.739 6 2.898333333 0.967464 0.935987
8 1.808 6.2 2.916129032 0.973404 0.947516
9 1.887 6.4 2.9484375 0.984189 0.968628
10 1.965 6.6 2.977272727 0.993814 0.987666
Didapat : Pengolahan data menggunakan metode grafik
Untuk menghitung besarnya nilai kecepatan cahaya berdasarkan metode grafik, adalah sebagai berikut :
Dari grafik tersebut diketahui bahwa : Dengan :
L1 : jarak antara emitter dengan cermin (m) L2 : jarak antara receiver dengan cermin (m)
t : beda fase antara cahaya yang keluar dari emitter dengan cahaya yang diterima receiver setelah dipantulkan oleh cermin (s)
1 2 tan x L L
t t
Dari pengolahan data menggunakan Origin ProTM 6.0, didapatkan persamaan garis linier :
y=(2.21286±0.240181).108x+(0.45004±0.13988)
Sumbu y pada persamaan di atas adalah jarak tempuh ( L1+L2 ). Sumbu x di dalam persamaan tersebut adalah selang waktu (t). Sehingga kecepatan cahaya di udara hasil percobaan adalah kemiringan garis dari persamaan garis linier di atas.
´
v=m=2.21286×108m
s
ketidakpastiannya :
Δv=0.240181×108m
s
Sehingga : v=´v ± Δv=(2.21286±0.240181)×108m
- kesalahan presisi=Δ v
Pengolahan pada percobaan ini adalah dengan perhitungan menggunakan persamaan pada gerak lurus beraturan (GLB) yaitu (v=x
t) . Persamaan ini
digunakan dikarenakan cahaya tidak pernah mengalami percepatan maka kecepatannya relative konstan. x adalah panjang lintasan yang dilalui cahaya (laser) dari emitter ke
receiver. x ini adalah jarak bukan merupakan perpindahan.
Sudut yang dibentuk oleh lintasan L1 dan L2 pada percobaan ini tidak
berpengaruh terhadap hasil perhitungan nilai kecepatan cahaya. Nilai kecepatan cahaya hanya dipengaruhi oleh panjang lintasan L1 dan L2 (x = L1 + L2) yang ditempuh pada selang waktu tertentu. Dengan mengetahui jarak lintasan yang ditempuh sinar laser dan waktu tempuhnya, maka dapat ditentukan cepat rambat sinar laser tersebut.
Berdasarkan literatur, kecepatan cahaya di udara adalah 2,997046445×108m
s . Dari pengolahan data yang dilakukan dengan menggunakan
statistik dan grafik terdapat dua nilai yang jauh berbeda, yaitu (2,99 0,315) × 108 m/s
dari statistik dan (2.21286±0.240181)×108m
s dari grafik. Terlihat bahwa terdapat
perbedaan yang cukup signifikan dari hasil pengolahan data antara kecepatan cahaya hasil percobaan dengan kecepatan cahaya dalam medium udara di literatur. Hal tersebut dikatakan signifikan karena dari hasil yang diperoleh diperhitungkan cukup besar jadi bila terdapat perbedaan atau selisih sedikit saja maka perbedaannya akan cukup besar. Berikut adalah hal-hal yang dapat menyebabkan perbedaan antara hasil pengolahan data dengan literatur:
2. Pengukuran jarak tempuh cahaya yang kurang tepat. Hal ini dapat dikarenakan acuan yang digunakan setiap kali pengambilan data tidak sesuai dengan
sebelumnya (tidak konsisten). Jarak yang diukur adalah jarak dari emitter ke cermin dan dari cermin ke receiver. Kesalah dalam penentuan acuan pengukuran ini pun dapat mempengaruhi besar kecepatan cahaya hasil perhitungan.
3. Gelombang yang ditangkap oleh osiloskop tidak jelas (berbayang) sehingga untuk penetuan puncak gelombang lebih sulit dan ada kemungkinan paralaks.
4. Angin kencang yang berhembus dalam ruangan laboratorium juga mempengaruhi berubah dan bergesernya posisi cahaya yang dipantulkan dari emitter ke receiver.
Berdasarkan hasil pengolahan data menunjukkan bahwa besar kecepatan cahaya yang mendekati literatur adalah hasil dari pengolahan statistik yaitu
v=´v ± Δv=(2,99 0,315)×108m/s . Dengan persentase kesalahan presisi sebesar
10.5
sedangkan dari literatur menunjukkan bahwa c =
1
√
μ
0ε
0 dengan 0 : permeabilitas ruang hampa (0 = 4.10-7N
s . Sehingga dapat
dihitung persentase kesalahan akurasi :
kesalahanakurasi=
|
v−vliteratur|
vliteratur
×100
¿ |2.9958−2.9979|×10 8
2.9979×108 ×100=¿ 0.07 %
Penyebab perbedaan antara hasil percobaan dengan literatur kecepatan cahaya di ruang vakum, sama seperti pada literatur di medium udara, namun penyebab lainnya adalah karena indeks bias udara lebih besar, maka jelas cahaya akan merambat lebih rambat di udara daripada di ruang vakum.
H. Kesimpulan
Besar kecepatan cahaya yang diperoleh dari percobaan menggunakan perhitungan dengan metode statistik yaitu:
v = ( v ± ∆ v´ ¿x108 m
s=(2,658546513±0,349562)x10
8m
s
Besar kecepatan cahaya yang diperoleh dari percobaan menggunakan perhitungan dengan metode grafik yaitu:
v = ( v ± ∆ v´ ¿x108 m
s=(2,76324±0,131226)×10
8m
s
Dengan besar persentase kesalahan praktikum (presisi) 4,74%dan persentase kesalahan relatif terhadap literatur (akurasi) 7,80 %.
I. Daftar Pustaka
Tipler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2 Edisi Ketiga. Jakarta : Erlangga.
Halliday, David.1997.Fisika Jilid 2 Edisi Ketiga.Jakarta:Erlangga.
(2013). Cahaya. [Online]. Tersedia : http://id.wikipedia.org/wiki/Cahaya. [29 April 2013]
